??? 摘? 要： 介紹了DES算法的基本原理與加密過程，給出了基于FPGA的DES算法的硬件實現(xiàn)，并且用Quartus II 實現(xiàn)了模塊仿真，驗證了DES加密算法。?

??? 關鍵詞： DES算法； FPGA； 仿真

?

??? 隨著網(wǎng)絡通信技術的發(fā)展，如何保護數(shù)據(jù)傳輸過程的安全已成為一項急迫的要求。政府部門、金融行業(yè)、通信行業(yè)、情報等系統(tǒng)都非常重視信息的安全。密碼安全技術則是所有安全服務的基礎。數(shù)據(jù)加密是信息安全的重要手段，DES密碼算法是最有代表性的分組加密算法，1976年被美國政府采用，隨后又被美國國家標準局和美國國家標準學會承認，發(fā)展至今已成為工業(yè)界的標準密碼算法，目前廣泛應用于保密通信中。DES算法用64位的密鑰對64位的明文加密，64位密鑰中每8位就有一奇偶校驗位，不參與運算，因此有效密鑰只有56位。此外，由于該算法的對稱性，其加密和解密運算過程完全相同，只是在迭代運算時子密鑰的使用順序不同^[1]。DES加密算法有各種實現(xiàn)方案，本文提出一種DES加密算法的硬件實現(xiàn)方法。?

??? DES算法主要包括：初始置換、16輪迭代的乘積變換、初始逆置換以及16個子密鑰產生器^[2]。DES 加密過程如圖1所示。?

?

?

??? 初始置換主要用于對明文中的各位進行換位，目的在于打亂明文中各位的排列次序，輸出結果按奇偶分為左右兩路送入乘積變換部分。在這個過程中不使用密鑰，僅僅對64位碼進行移位操作。而進行逆初始置換是為了使加解密統(tǒng)一使用同一種算法。初始置換與初始逆置換只是將64位輸入的數(shù)據(jù)按位進行重新排列，只需要一些輸入輸出端口，按照置換規(guī)則把輸入與輸出對應關聯(lián)即可^[3]。下面只介紹密鑰的產生與16輪迭代乘積變換模塊的設計。?

1 子密鑰生成模塊?

??? DES算法每一輪次迭代都需要一個子密鑰，要實現(xiàn)DES算法就需要提前生成子密鑰，并且按照時序準確地傳遞給迭代過程。?

??? 子密鑰產生模塊由選擇控制、循環(huán)移位控制等部分構成。該模塊的輸入是64位初始密鑰，輸出為參加每次迭代運算的子密鑰，另外還有一個控制信號（time），用來控制在不同迭代過程中移位的次數(shù)。本設計采用硬件描述語言（VHDL)按照子密鑰產生的過程，通過置換選擇1、循環(huán)移位、置換選擇2，一步一步得到子密鑰的。循環(huán)移位仿真結果如圖2所示。圖中，c0、d0是經過置換選擇1后得到的前后28位，Time為控制移位次數(shù)的控制信號，k1為移位后的結果，再經過置換選擇2即可得子密鑰。?

?

?

??? 因為每輪移位的次數(shù)不同，所以每輪子密鑰產生的時間也不相同，所以會給迭代運算帶來延遲，這也是采用VHDL設計存在的不足。從VHDL設計結果可以看出，原密鑰與每輪子密鑰之間有固定的關系，因此，可以通過軟件分析，建立子密鑰相對于原始密鑰的關系表，在硬件實現(xiàn)時直接使用此關系表即可，這樣也可以有效地節(jié)省硬件資源。?

2 迭代變換?

??? DES算法是典型的迭代分組密碼算法，實現(xiàn)過程的核心是16輪次相同的迭代運算。輸入的64位明文先執(zhí)行初始置換對明文進行換位處理；然后通過子密鑰k1～k16對明文進行16輪乘積變換，即進行16次迭代處理；最后經過逆初始置換的處理，得到64位的密文輸出。16次迭代的目的是使明文增加混亂性和擴散性，避免輸出密文殘留統(tǒng)計規(guī)律，使破譯者無法反向推算出密鑰。?

??? 輪迭代運算中的f函數(shù)是非線性的，它是每輪實現(xiàn)混亂和擴散的最關鍵的模塊，也是整個加密算法的核心，它包括E盒擴展置換、S盒置換和P盒置換，其基本過程如圖3^[4]所示。其中，E盒擴展置換、P盒置換的原理和實現(xiàn)方法與初始置換以及逆初始置換類似，運算過程都是線性的，而S盒是一個復雜的非線性函數(shù)，正是經過了S盒的非線性變換，才使算法達到很好的“混亂”效果，從而具有較強的安全性。因此，S盒的設計是DES算法的關鍵部分，S盒設計的優(yōu)劣將影響整個算法的性能。?

?

?

??? 基于S盒的表現(xiàn)形式是矩陣形式，因此在使用VHDL語言建立Ｓ盒模型時，一般都會想到直接用多重選擇CASE語句^[5]。在這里即采用CASE語句實現(xiàn)。用CASE選擇語句實現(xiàn)S盒有兩種方式：一種是直接使用S盒的6位輸入為6個變量的CASE語句方式，另一種方式是使用雙重CASE嵌套語句，即外層使用2個輸入控制S盒的橫向選擇；內層使用4個輸入控制S盒的縱向選擇。采用雙重CASE語句可以直接定位輸出結果。這兩種方式下占用資源的情況如表1所示。?

?

?

??? 根據(jù)表1比較的結果可以看出，選擇雙重CASE語句建立S盒模型可以大大節(jié)省資源,其仿真結果如圖4所示。s0為S盒的輸入，s2為S盒的輸出，這樣就完成了非線性的變換。圖5為通過Quartus II實現(xiàn)的基于FPGA的DES加密算法的硬件仿真線路圖。?

?

?

?

??? 本文通過對各個模塊特別是S盒與子密鑰生成模塊的詳細分析，給出了DES加密的一種實現(xiàn)方法，并在此基礎上對部分模塊進行了驗證仿真，給出了硬件仿真線路圖。這種設計方法是根據(jù)功能模塊分層進行的，因此可以節(jié)省設計時間，減少設計輸入的錯誤，簡化驗證的過程。?

參考文獻?

[1] STALLINGS W． Cryptography and network security principles and practices[M]． prentice Hall, 1996．?

[2] 胡向東，魏琴芳．應用密碼學[M]．北京：電子工業(yè)出版社，2006．?

[3] 高獻偉，周玉坤，路而紅,等．DES算法硬件實現(xiàn)的研究[J]． 北京電子科技學院學報, 2001,(1):11-15．?

[4] 張福泰．密碼學教程[M]．武漢：武漢大學出版社，2006．?

[5] 李永彬，雷 菁．DES加密算法的高速FPGA實現(xiàn)[J]．電子工程師，2005,(7)：39-40．